以工程應用能力為導向的測控工程專業實踐教學研究

杜青青，侯志偉，陳鵬，李臻

(1.蘭州石化職業技術大學，甘肅 蘭州 730060；2.西門子(上海)有限公司，上海 200080)

0 引言

2022 年4 月新修訂的《中華人民共和國職業教育法》明確提出“國家建立健全適應經濟社會發展需要，產教深度融合，職業學校教育和職業培訓并重，職業教育與普通教育相互融通，不同層次職業教育有效貫通，服務全民終身學習的現代職業教育體系。”同年12 月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《關于深化現代職業教育體系建設改革的意見》，明確指出“建立健全多形式銜接、多通道成長、可持續發展的梯度職業教育和培訓體系”。實施職業教育與培訓并舉是新時代賦予高職院校的重大課題，為進一步深入促進產教融合、校企合作，高職院校不僅應滿足在校學生培養的要求，還應具備社會人員職業技能培訓的條件。為應對社會經濟和智能制造帶來的挑戰與機遇，打破職業教育陳舊理念的瓶頸，在育訓并舉模式下培養學生工程實踐與創新能力，這是智能制造背景下技術技能型高素質人才培養的新要求，成為高職院校本科層次人才培養的重要內容。高職院校本科層次人才相比于普通本科學校人才，除了具有較系統的基礎理論知識外，還具備熟練操作復雜設備的技能；而相比于職業專科學校人才，更加突出理論基礎及技術技能的復合性和遷移性[1-3]。為了更好地適應新時代國家智能制造發展規劃的戰略目標，緊密結合實際工業生產過程，從過去以原理性驗證為主的教學實驗實踐方式逐漸向工程生產實戰型過渡，將實驗教學和實踐類課程在任務深度和知識廣度上進行有效拓展和有序拔高。

隨著我國智能制造技術日新月異的高速發展，促使現代測控技術逐漸滲透到工程生產的各個實踐環節中，使得現代測控技術趨向于微型化、集成化、遠程化、網絡化、虛擬化等多元化發展。現代測控技術是現代工業中必不可少的組成部分，不僅帶動了世界工業技術的進步和產業鏈技術的升級，也在我國的社會發展中有著不可替代的作用，對社會的進步有著重大的意義。特別是現在國家正處于向創新驅動型國家轉型的階段，對具有工程實踐與創新能力的高素質、高層次人才要求越來越高，同時也加劇了現代測控技術人員需求的緊迫性。我校肩負著現代測控工程技術專業技術技能型人才培養的職責與使命，依托數字孿生的全過程仿真實訓平臺，以培養工程實踐與創新能力為核心目標，結合“西門子杯”中國智能制造挑戰賽，采用項目化、模塊化、精細化方式設計基礎驗證實訓、虛擬仿真實訓、綜合創新實訓內容，幫助學生加深對工業控制系統甚至全流程的理解，正確建立工業控制的系統化思維，讓學生在實踐中深入理解自身專業特點，加深對專業和未來職業發展的認知[4-8]。這不僅提高了學生的動手操作能力，充分鍛煉了學生的工程實踐能力，不斷激發了學生的創新思維能力，也極大程度豐富了教學資源，有效支撐了高職院校人才的培養質量。因此，注重學生工程實踐與創新能力的培養，對于能夠有效解決現場工程實際問題的實踐教學具有重要意義。

1 現代測控工程技術實踐教學的現狀分析

目前高職院校現代測控工程技術實踐教學主要采用多媒體、3D 動畫等圖片和視頻形式實現理論知識的傳授，極大限制了工程實際場景的認知與訓練，雖然理論與實踐有一定程度的結合，但實際教學效果不太理想，難以達到工程實踐與創新能力的培養目的和要求。傳統實踐教學模式主要依賴于自動化實訓裝置或設備來開展相關教學活動，存在以下問題：

(1)大多自動化實訓裝置或設備，雖然包含有大量實訓任務，但設備技術較為落后，目標機型控制器基本停產停銷。要解決這一問題，需要較大的建設資金投入。

(2)實訓裝置設備臺長期使用后故障率高，雖然軟硬件技術已全面升級換代，但其核心部件無法替換，不能滿足多課程、多實踐環節的層次化教學需求。此外，缺少依托共享模式的實訓室裝備也無法與社會需求和學生競賽緊密結合[10]。

(3)實訓裝置臺套數較少，造成學生實踐訓練的受眾面小，不能保障每位學生均能得到有效、充分、合理的實踐鍛煉。并且部分實訓任務屬于模仿式、驗證性的簡單操作訓練，難以保證學生達到較好的實際訓練效果，也無法滿足學生工程實踐與創新能力培養的實踐教學活動要求。

2 現代測控工程技術實踐教學的改革舉措

針對目前實踐教學過程中存在的理論與實踐銜接不夠緊密、學生工程實踐能力與創新思維能力較為薄弱、社會責任感整體不強、專業技能與企業期望差距較大等突出性問題，以現代測控工程技術專業的實訓課程為研究對象，將實踐教學從“傳統單一的觀看演示”向“實際項目工程的動手實踐”轉變，力求體現實踐內容的豐富性和實踐方式的多樣性。并利用數字孿生技術實現虛實結合，實體對象的虛擬模型、復制現場使用的設備或裝置采用真實的自動化控制系統，保證控制裝置和控制手段與實際工程系統的操作具有高度一致性，保證學生可以身臨其境地走進虛擬實驗室操作虛擬儀器，有效解決自動化實訓裝置或設備數量較少、運維成本較高、故障復現性較差等問題。

借助數字孿生仿真實訓平臺，精準分析石油、化工行業的企業崗位需求。例如化工自動化儀表安裝維護，自動化系統的投運、維護管理，復雜系統集成，工控產品研發與測試等，確定實踐訓練的標準和方向，以實踐課程或理實一體化課程為核心載體，精選虛擬仿真實踐訓練教學典型項目或案例，對崗設計實踐訓練內容，實現課崗并軌。結合“西門子杯”中國智能制造挑戰賽，兼顧技能拔尖人才培養要求和一般學生技能層次遞進成長規律，將技能競賽項目教學化改造，有機嵌入實踐教學，將技能訓練與技能大賽有機融合，以“知構造(原理)、練仿真、踐實訓”的實踐訓練過程形成“崗課并軌、虛實結合、訓賽融合、層次遞進”的實踐教學體系，攻克實踐教學的重難點內容，豐富實踐教學的數字資源庫，全方位提高學生的工程實踐能力與綜合創新素養。

2.1 數字孿生仿真實訓平臺

全過程實訓平臺主要包括單站數字孿生仿真實訓系統、全產線數字孿生仿真實訓系統和過程儀表數字化雙胞胎仿真實訓系統。

2.1.1 單站數字孿生仿真實訓系統

PLCSIM Advanced 是SIEMENS 推 出 的 一款高功能仿真控制器，屬于典型的工業應用，可以仿真一般的PLC 邏輯控制程序，也能基于TCP/IP協議建立與虛擬實訓系統(軟件)之間的通信，甚至是實現多個虛擬PLC 之間的通信。基于PLCSIM Advanced 可以實現全虛擬教學或者半虛擬教學。全虛擬教學是指PLC 和控制對象全部通過數字化手段實現，使用PLCSIM Advancd+ 單站或全產線數字孿生虛擬實訓系統的組合，無需外部PLC，這種方式可滿足全班教學。而半虛擬教學則是使用真實的(可使用學校現有的)PLC+ 單站或全產線數字孿生虛擬實訓系統的組合，這種方式可以將學校原有的設備充分利用。

圖1 所示的單站數字孿生仿真實訓系統是對各個獨立的工作站進行模擬仿真和重現，在三維場景中真實還原單個工作站的生產流程，進行虛擬操作練習，可用于熟悉操作流程和工藝流程。通過在該平臺上開展實訓課程，學生能夠快速熟悉智能產線的工藝流程與基本操作。

圖1 使用單站實訓系統進行虛擬操作及調試

單站數字孿生仿真實訓系統還可以作為簡單的PLC 邏輯編程訓練器，通過工業以太網通訊方式與真實的可編程控制器(PLC)建立連接，從而實現對各個工作站的控制，不僅為學生提供不限學時的簡單PLC控制場景，還兼顧了便利性和安全性。

2.1.2 全產線數字孿生仿真實訓系統

全產線數字孿生仿真實訓系統是對6 個工作站的整體系統進行模擬仿真和重現，在三維場景中真實還原整體生產流程。圖2 所示的全產線實訓系統可以進行虛擬產線生產，用于熟悉完整的操作流程和工藝流程。通過在該平臺上開展實訓課程，不僅能夠讓學生快速熟悉整個智能產線的工藝流程與操作，而且能夠建立起安全生產、安全聯鎖、生產序列等重要的工業理念。

圖2 使用全產線實訓系統進行虛擬操作及調試

全產線數字孿生仿真實訓系統可以作為相對復雜的大型多PLC 控制系統的訓練器，通過工業以太網通訊方式與6 臺真實的可編程控制器(PLC)建立連接，從而實現對整個生產線的控制。在這一過程中，還能練習不同生產站之間的數據交互和工業通信，不僅為學生提供不限學時的復雜PLC 系統場景，還兼顧了便利性和安全性。

2.1.3 過程控制系統數字孿生仿真實訓系統

針對現代測控技術專業實訓設備緊缺、場地資源有限、難以滿足學生實操需求的問題，可采用構架式軟件設計的方法，對液位及溫度控制工藝流程進行仿真。學生可以通過實訓仿真平臺對工藝流程、設備閥門屬性、控制方案等進行自定義設計，還可以對水流量、風流量、液位等過程變量進行模擬及控制。以搭建風路加熱溫度單回路控制系統為例，在仿真平臺上可以進行PID 參數的整定，驗證液位溫度等控制效果。實驗結果表明，過程控制儀表系統平臺內部邏輯能夠模擬各類工況下的系統響應，能夠模擬全流程的系統狀態，為學生及企業自控人員提供了關于控制系統的設計、投運、整定的多功能虛擬學習平臺。

2.2 模塊化重構實踐教學內容

以“項目”教學為驅動，融“教、學、做”為一體，實現理論教學有平臺、實踐模擬在平臺、實踐操作來平臺、團隊合作有項目、能力提升有競賽。對于現代測控專業的學生而言，要具備依據工藝需求和電氣圖紙進行自動化工程系統集成的能力，而工程能力源于項目實踐[11-14]。因此基于數字孿生的全過程仿真實訓平臺構建了《自動化控制平臺的系統性實踐》項目式課程，即在崗(自動化工程師)—課(現代測控工程技術專業課程)—賽(國家級技能大賽，例如CIMC中國智能制造挑戰賽)一致化、理實一體化的真實工業場景中開展一系列由易到難的工程任務，以學生為中心、由興趣和成就感驅動，完成整個項目實施流程，掌握典型自動化工程集成的綜合能力。其中，包括認識和理解自動化工程實施的各個階段，以及掌握各階段所需的技術、工藝理解能力、工藝表達能力、PLC 編程能力、設備和系統調試經驗。而這種綜合工程能力和工程素養，難以通過傳統的課程體系和教學方式達成，需要在第六或第七學期開展項目式的綜合實訓課程，為學生提供完整的實戰項目，使其能夠將所學的零散專業知識整合起來，解決項目中遇到的種種問題，在進入工程師職業場景前實現能力“階躍”[15-16]。

整個課程使用項目式教學，如圖3 所示為一個完整的工程項目，在項目中學生可以掌握處理工程問題的工作流程、技術規范、實施標準，最終通過項目反思達到知識可遷移、方法可復用的認知提升。

圖3 自動化控制平臺的系統性實踐項目教學內容

項目由6 個部分組成，學生需要根據其他領域人員提供的信息來理解工程所需要的工藝，在這個過程中工程師需要有良好的表達交流能力。因此在理解與表達工藝中，學生需要掌握并表達系統化工程分析方法，并且根據要求繪制出工作站的靜態工作圖，靜態工作圖能夠幫助學生更好地理解工藝流程，從而輕松面對陌生的自動化系統。在理解工藝過程后，需要繪制出標準的圖紙，但為了教學的可實施性和連續性將直接給學生提供圖紙，學生需要按照各種圖紙在博圖界面下測試控制器、執行器、傳感器等，在此過程中能夠鍛煉學生的調試和診斷能力。此外，學生需要依據工程標準化、模塊化搭建控制程序，比如變量符號的標準命名、子程序的建立等。在系統測試與交付中，學生需要掌握單元級功能測試、系統級功能測試。在熟練掌握自動化的知識后，學生可以對系統進行進一步的維護與升級，從而鍛煉學生的創新能力。

2.3 精細化設計實踐教學過程

以知構造(原理)、練仿真、踐實訓的教學過程，攻克上料、檢測、調整、組裝、分揀、故障排查等教學重難點，依據自動化控制平臺教學內容精細化設計仿真實訓教學內容，如表1 所示。

3 考核評價方式和實際教學成效

考核評價作為實踐教學過程的重要組成部分，是考查學生訓練實際情況和檢驗實踐教學效果的主要手段，也是衡量人才培養質量和教師教學質量的主要環節。應減少學生對實踐內容的生搬硬套，更加注重利用所學知識解決實際工程項目問題的能力，并采用過程式考核、階段化評價的方式，實行課前自主學習、課中技能考評、課后技能競賽以及社會服務全過程評價。知識點與技能點采用層層進階趣味通關的方式，構建過程和成果評價并重的考核方案。課前依托云班課平臺采集學習進度、學習時長、課前測試等模塊數據并自動生成平臺評價分數，嚴格按照企業規范、實操安全規范等對學生進行量化評價；課中完成小組對實踐操作的組內、組間互評，仿真實訓報告、實操報告由實訓教師評價；課后拓展模塊由競賽培訓導師評價，課后教師分析學生的評價數據并及時調整教學策略、改進教學方法。

近幾年來實踐教學表明，借助數字孿生技術的虛擬仿真實訓平臺以“崗課并軌、虛實結合、訓賽融合、層次遞進”的實踐教學體系，激發了學生的主動性和積極性，促進了教師的主導性和專業性，取得了一系列標志性的成果。教師在全國職業院校技能大賽教學能力比賽中獲得國家二等獎1 項、省級二等獎2 項，學生在全國西門子杯中國智能制造挑戰賽總決賽中獲得特等獎1 項、一等獎2 項、二等獎3 項。

4 結語

精準分析石油、化工行業背景的企業崗位需求，結合職業教育本科層次人才培養目標，以現代測控工程技術專業實踐課程為研究對象，以實踐課程或理實一體化課程為核心載體，依托數字孿生技術的新興教學資源，借助單站數字孿生仿真實訓系統、全產線數字孿生仿真實訓系統和過程儀表數字化雙胞胎仿真實訓系統等數字孿生仿真實訓平臺，精選虛擬仿真實踐訓練教學典型項目或案例，對崗設計實踐訓練內容實現課崗并軌。同時，有機融合“西門子杯”中國智能制造挑戰賽技能競賽項目，采用項目化、模塊化、精細化方式分層設計基礎驗證實訓、虛擬仿真實訓、綜合創新實訓內容，以“匠心引領、育訓并舉、德技并修、知行合一”的人才培養模式，形成“崗課并軌、虛實結合、訓賽融合、層次遞進”的實踐教學體系，實現了實踐教學過程中理論與實踐的緊密銜接，提升了學生工程實踐能力與創新思維素養，取得的教學實際成效對其他實踐教學模式具有較好的參考價值。